JP2015530954A - 空中で風力エネルギーを生産するためのグライダー - Google Patents
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Abstract
Description
風から電力を生産することは、概して、空気力学的プロファイルを有する翼または構造体により達成される。翼または構造体は、風にさらされると揚力を発生させる。その結果、エネルギーが風から取り出され、例えばこの揚力を利用して発電機を駆動することで、エネルギーを電気に変換することができる。例えば公知の風力タービンは、空気力学的プロファイルを有するローターブレードを持つローターを備え、ローターブレードの揚力がローターを回転させる。ローターは電力を生産するために、例えば塔の頂上に配置された発電機に取り付けられる。
本発明において、この課題は風から電力を生産するためのグライダーにより解決される。グライダーは、翼と、飛行中のグライダーのピッチング、ローリング、ヨーイングのための機載された操縦手段と、グライダーの絶対位置に関する第1の信号、グライダーの対気速度に関する第2の信号、グライダーの加速度に関する第3の信号を提供するセンサー手段と、センサー手段が提供する信号に基づきグライダーの自律飛行を制御するために操縦手段に接続された制御装置と、翼が風にさらされた時に生じてテザーを介して地上へ移送される揚力を電力に変換するように構成された地上発電機にグライダーを接続するテザーの接続手段と、を備える。
グライダーは例えば、胴体および主翼を備える。主翼は翼を構成し、または翼を備える。この構成において、縦軸は胴体に対して本質的には平行であり、横軸は主翼に対して本質的には平行であり、垂直軸は縦軸および横軸の両方に垂直である。当業者であれは、グライダーを基本軸の適切な定義を有する別の航空機構造、例えば全翼機とすることができることを理解するであろう。
グライダーは、剛性を伴う空気力学的プロファイルまたは翼を有する固定翼のために、空力的抵抗または抗力が小さく、空力的揚力が大きいという利点を持つ。風から効率的に取り出されたエネルギーは揚力および抗力、特にいわゆる揚抗比に大きく依存するため、このことは特に有益である。
位置に関する信号は例えば、グライダーの対地速度であり、それにより既知の初期位置から、グライダー位置の反復測定が可能になる。対地速度は特に、地面に対するグライダーの運動または速度である。
例えばピトー管は、航空機の縦軸に沿う向きに、先端の穴と側面の穴とを有する円筒管を備え、2つの穴は内部通路を介して差圧センサーに接続される。
例えば、マルチチャンネルピトー管は、航空機の縦軸に沿って配向された、半球体形の先端を有する円筒管を備える。その管は、先端に、動圧を測定するための5つの穴と、管の側面に、静圧を測定するための少なくとも1つの穴とを有する。静圧測定用に、複数の穴、例えば管の側面の周りの円に沿って均等に分布する4個または12個もの穴を備えることもできる。先端の5つの穴は、1つの穴が半球体形の先端の中心に、他の4つの穴が中心穴へ等距離に配置される。これら4つの穴は、航空機の横軸および垂直軸に沿ってペアで配置される。この構成では、左右差圧は横軸に沿った2つの穴の圧力差であり、上下差圧は垂直軸に沿った2つの穴の圧力差であり、動静差圧は先端の中心穴と管の側面の穴の平均圧力との圧力差である。あるいは、例えば9個の穴それぞれの絶対圧力を個別に測定することができ、左右差圧、上下差圧、および動静差圧はこれらの測定値から算出される。
操縦手段は好ましくは、少なくとも1つの空力的に能動な操縦翼面を備える。
制御装置がアンセンテッドカルマンフィルターを実装することがさらに好ましい。なぜなら、アンセンテッドカルマンフィルターは特に、非線形依存性および相関を許容するからである。
本発明のさらなる特徴は、請求項および添付図面とあわせて、本発明の実施形態の説明から明らかとなるであろう。本発明の実施形態により、個別の特徴またはいくつかの特徴の組み合わせを実現することができる。
図1は、本発明に基づく、風50から電力を生産するためのグライダー10の例示的な実施形態を表す。
操縦翼面20,22,24に加え、グライダー10は主翼14の両側にスポイラー26を備える。スポイラー26は、主翼14の揚力係数を減少させると同時に抗力係数を増加させるために、立ち上げることができる。主翼14のさらなる操縦翼面が、主翼14の揚力係数および/または抗力係数に影響を与えると予見されるかもしれない。特に、これらは主翼14の前縁の操作翼面である、いわゆるスラット、および/または主翼14の後縁の操作翼面である、いわゆるフラップであり得る。同様の効果が、空気力学的プロファイルの曲率を変更することができる例えば半剛体翼などの可変の空気力学的プロファイルを有する翼によって達成できる。
操縦翼面20,22,24の操作は、ナセル13に位置する制御装置により制御される。制御装置は、例えば、意図する飛行経路または飛行パターン52,54に従って操作翼面20,22,24を動かすための操縦信号を生成する。
テザー44の復帰のために、グライダー10は再び制御装置によって地上局40に向かって飛ぶように制御される。グライダー10が地上局40に近づくにつれ、テザー44の自由長が短くなり、発電機46を発電機としてではなくモーターとして作動させることで矢印R’で示すようにテザー44がリール42に巻き取られる。必要な電力は例えば、蓄電および/または配電システムにより供給され、または送られる。
[参照符号リスト]
10 グライダー
11 機械的骨格
13 ナセル
14 主翼
16 尾翼
17,17’ 位置センサー
18 対気速度センサー
20 補助翼
22 昇降舵
24 方向舵
26 スポイラー
32 縦軸
34 横軸
36 垂直軸
40 地上局
42 リール
44 テザー
46 発電機
50 風
52 高揚力飛行パターン
54 低揚力飛行パターン
Claims (15)
- 風(50)から電力を生産するためのグライダー(10)であって、
翼(14)と、
飛行時に前記グライダー(10)をピッチング、ローリング、およびヨーイングさせるための機載された操縦手段(20,22,24)と、
前記グライダー(10)の絶対位置に関する第1の信号、前記グライダー(10)の対気速度に関する第2の信号、および前記グライダー(10)の加速度に関する第3の信号を提供するセンサー手段(17,17’,18)と、
前記センサー手段(17,17’,18)が提供する前記信号に基づき前記グライダー(10)の自律飛行を制御するために前記操縦手段(20,22,24)に接続された制御装置と、
前記翼(14)が風(50)にさらされた時に生じてテザー(44)を介して地上に移送される揚力を電力に変換するように構成された地上発電機(46)に前記グライダー(10)を接続する前記テザー(44)の接続手段と、
を備える、グライダー(10)。 - 前記センサー手段(17,17’,18)が第1の位置センサー(17)、特にGPSセンサーを備えることを特徴とする、請求項1に記載のグライダー。
- 前記センサー手段(17,17’,18)が第2の位置センサー(17’)、特にGPSセンサーを備え、前記第2の位置センサー(17’)が前記第1の位置センサー(17)まで所定距離だけ離れたところに位置することを特徴とする、請求項2に記載のグライダー(10)。
- 前記センサー手段(17,17’,18)が対気速度センサー(18)、特にピトー管を備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記対気速度センサー(18)が対気速度方位センサー(18)、特にマルチチャンネルピトー管であることを特徴とする、請求項4に記載のグライダー(10)。
- 前記センサー手段(17,17’,18)が慣性センサーを備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記慣性センサーがジャイロスコープおよび/または加速度計を含むことを特徴とする、請求項6に記載のグライダー(10)。
- 前記操縦手段(20,22,24)が少なくとも1つの空力的に能動な操縦翼面(20,22,24)、特に少なくとも1つの補助翼(20)および/または少なくとも1つの昇降舵(22)および/または少なくとも1つの方向舵(24)を備えることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記制御装置が、前記グライダー(10)の飛行特性に関するデータを保存するためのデータ保存ユニットと、保存されたデータおよび前記センサー手段(17,17’,18)が提供する前記信号に基づいて前記操縦手段(20,22,24)用の制御信号を導出するためのデータ処理ユニットとを備えることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記制御装置がカルマンフィルター、特にアンセンテッドカルマンフィルターを実装することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記制御装置が、前記グライダー(10)を地上発電機(46)に接続するテザー(44)を牽引するための第1の運転モードを提供し、前記制御装置が、前記発電機(46)に接近するための第2の運転モードを提供することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記グライダー(10)が、前記翼(14)の揚力係数を変化させるための、および/または前記翼(14)の抗力係数を変化させるための、および/または前記グライダー(10)の抗力係数を変化させるための少なくとも1つの空力的操作翼面(26)を備えることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 前記翼(14)が可変の空気力学的プロファイルを有することを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載のグライダー(10)。
- 風(50)から電力を生産するためのシステムであって、
請求項1〜13のいずれか1項に記載のグライダー(10)と、
地上発電機(46)と、
前記グライダー(10)を前記発電機(46)と接続するテザー(44)とを備え、
前記発電機(46)が、前記翼(14)が風(50)にさらされた時に生じて前記テザー(44)を介して地上に移送される揚力を電力に変換するように構成された、システム。 - 風から電力を生産するための、請求項1〜13のいずれか1項に記載のグライダー(10)の使用方法。
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